本發(fā)明屬于移動網(wǎng)絡(luò)中的無線資源管理領(lǐng)域，具體涉及到一種軟件定義移動網(wǎng)絡(luò)中的資源分配方法。

背景技術(shù)：

為了滿足蜂窩網(wǎng)絡(luò)的空中接口和網(wǎng)絡(luò)層將面臨巨大變化，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking，SDN)將成為未來一項重要的技術(shù)，其核心理念是將網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)處理抽象化，并且通過外置控制器來控制這些抽象化的對象。SDN將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的控制和轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行分離，分為控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面，并且控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面之間提供一個標(biāo)準(zhǔn)接口。

在移動網(wǎng)絡(luò)中，通過借鑒SDN的設(shè)計理念，可以有效地解決當(dāng)前的蜂窩和其它無線接入網(wǎng)絡(luò)存在的困難問題，如管理異質(zhì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步催化移動生態(tài)系統(tǒng)的根本變化。

由于移動網(wǎng)絡(luò)的無線接入與因特網(wǎng)中的路由存在明顯差異，SDMNs(Software Defined Mobile Networks,軟件定義移動網(wǎng)絡(luò))不會是SDN概念為互聯(lián)網(wǎng)的簡單延伸。在SDMNs中，軟件定義的功能應(yīng)滿足移動網(wǎng)絡(luò)的特殊需求。此外，基站致密化被認(rèn)為是解決5G流量需求最具前景的方案之一，如何解決密集多層網(wǎng)絡(luò)帶來的接入控制和資源分配等問題，是亟待解決的。

盡管蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的針對接入控制的資源分配已經(jīng)被廣泛研究。但目前主要集中在分布式接入控制機制研究。相比較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)缺乏具備強大計算和存儲能力的SDMNs控制面，SDMNs可以實現(xiàn)集中式的資源分配方案以及跨層優(yōu)化。針對SDMNs環(huán)境，該資源分配方法在滿足用戶QoS需求下，以最大化接入用戶數(shù)和最小化子信道占用數(shù)為目標(biāo)，建立混合整型規(guī)劃問題。

由于所建立優(yōu)化問題目標(biāo)函數(shù)的組合特性，以及約束條件的離散非凸性質(zhì)，原優(yōu)化問題是非凸問題，當(dāng)用戶數(shù)目或者子信道數(shù)目較大時，往往難以找到其最優(yōu)解。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明公開了一種軟件定義移動網(wǎng)絡(luò)中的資源分配方法，該方法在保證接入用戶的QoS前提下，對所需接入網(wǎng)絡(luò)中的FUE進(jìn)行接入控制，從而最大化網(wǎng)絡(luò)中的FUE接入數(shù)和最小化信道占用數(shù)。

技術(shù)方案：本發(fā)明公開了一種軟件定義移動網(wǎng)絡(luò)中的資源分配方法，包括以下步驟：

(1)各個MBS(Macrocell Base Station，宏小區(qū)基站)對MUE(User Equipment in Macrocell，宏小區(qū)用戶)進(jìn)行資源分配，并將子信道分配的結(jié)果上傳給SDMNs控制面；

(2)各個FUE(User Equipment in Femtocell，毫微微小區(qū)用戶)估計信道增益，并上傳給SDMNs控制面；

(3)各個FBS(Femtocell Base Stations，毫微微小區(qū)基站)獲得本Femtocell(毫微微小區(qū))內(nèi)FUE的信道增益，并上傳給SDMNs控制面；

(4)以最大化接入FUE數(shù)和最小化占用子信道數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，引入分時因子和數(shù)據(jù)速率比，建立凸優(yōu)化問題；

(5)求解步驟(4)建立的凸優(yōu)化問題，得到全局最優(yōu)解，即最優(yōu)聯(lián)合用戶接入和信道分配方案，以及分配在各個子信道上的功率。

具體地，步驟(4)建立的凸優(yōu)化問題為：

，對所有Femtocell從1開始編號，組成集合其元素個數(shù)為N_S；對所有MUE從1開始編號，組成集合MUE的個數(shù)為M；第f個FUE所需的傳輸速率為R_f；對第s個Femtocell中FUE從1開始編號，組成集合其中F_s為集合中元素的數(shù)目，系統(tǒng)中可用子信道從1開始編號，組成集合其元素個數(shù)為N；Δf為子信道帶寬，第s個Femtocell中第f個FUE在信道n上的信噪比為為第s個FBS與第m個MUE所建立的鏈路在子信道n上的信道增益；加權(quán)因子ε∈[0,1]，為第m個MUE在信道n上的干擾容限，為分時因子，表示子信道n分配給第s個Femtocell中第f個FUE的時間比例，為第s個Femtocell中第f個FUE在信道n上分配的功率，表示子信道n分配給該Macrocell(宏小區(qū))中第m個MUE的時間比例，φ_s,f表示第s個Femtocell中第f個FUE獲得數(shù)據(jù)傳輸速率比，Ψ為三維數(shù)組，其包含的元素為Φ為二維數(shù)組，其包含的元素為φ_s,f，P為三維數(shù)組，其包含的元素為

具體地，上述第s個Femtocell中第f個FUE在信道n上的信噪比為計算方法為：

其中N_o為噪聲功率；為第s個FBS與第f個FUE所建立的鏈路在子信道n上的信道增益；為MBS與第f個FUE所建立的鏈路在子信道n上的信道增益；為Macrocell中第m個MUE在信道n上分配的功率。

步驟(5)中求解步驟(4)建立的凸優(yōu)化問題包括如下步驟：

(51)定義所述凸優(yōu)化問題的拉格朗日函數(shù)為：

其中，和為拉格朗日乘子矩陣；

(52)的最小化問題分解為如下三個子問題：

(521)

(522)

(523)

通過對這三個優(yōu)化子問題求解過程的迭代和Λ和η的更新，從而更新φ_s,f、和當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)T_max時，則獲得最優(yōu)的聯(lián)合接入控制Φ和資源分配的結(jié)果(P,Ψ)。

具體地，三個優(yōu)化子問題521、522、523采用路徑跟蹤法求解。

Λ和η采用次梯度和進(jìn)行更新，如下式：

其中λ_s,f(t)和分別表示第t次迭代時Λ和η中元素的值，a(t)滿足a(t)≥0，lim_t→∞a(t)＝0，

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的軟件定義移動網(wǎng)絡(luò)中的資源分配方法可以快速有效的獲得其全局最優(yōu)解，實現(xiàn)對用戶接入的控制，以及子信道和功率的合理分配。

附圖說明

圖1是SDMNs網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的資源分配流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

如圖1所示，SDMNs主要包含控制面、移動核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)，SDMNs的控制面管理整個網(wǎng)絡(luò)，并獲得網(wǎng)絡(luò)中的用戶設(shè)備的狀態(tài)、鏈路狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞刃畔ⅰUE和FUE位于SDMNs接入網(wǎng)層中，Macrocell和Femtocell組成雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，MBS或FBS管理與其直接相連的MUE或FUE，并執(zhí)行用戶信息采集、上傳、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等操作。SDMNs控制面擁有強大的計算和存儲能力，可以由服務(wù)器集群組成，對移動網(wǎng)中的接入網(wǎng)和核心網(wǎng)進(jìn)行管理。根據(jù)實際情況，SDMNs控制面可以分別部署在網(wǎng)絡(luò)側(cè)和接入側(cè)，SDMNs控制面的設(shè)計實現(xiàn)可以參照現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)中NOX，F(xiàn)loodlight，Ryu，OpenDaylight等控制器。SDMNs控制面根據(jù)MBS或FBS上傳的小區(qū)信息，對用戶接入進(jìn)行控制，并對無線空口資源進(jìn)行分配。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的用戶位置或個數(shù)發(fā)生變化時，SDMNs控制面可以根據(jù)更新后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行重配置。

Femtocell網(wǎng)絡(luò)采用開放接入機制，臨近Femtocell網(wǎng)絡(luò)的MUE可能遭受到來自FBS的跨層干擾，降低其QoS。因此，需要在保證MUE的QoS前提下，對FUE接入進(jìn)行控制，從而最大化接入FUE數(shù)和最小化信道占用數(shù)目。如圖2所示，該過程的具體步驟：

(1)在滿足MUE的QoS條件下，MBS首先對所屬的MUE進(jìn)行資源分配，并將子信道分配的結(jié)果上傳給SDMNs控制面，同時MUE對信道增益進(jìn)行估計，并上傳給SDMNs控制面；

(2)FUE估計信道增益并上傳給SDMNs控制面；

(3)每個FBS獲得Macrocell中各個FUE的信道增益并上傳給SDMNs控制面；

(4)SDMNs控制面根據(jù)所掌握的全局網(wǎng)絡(luò)信息，以最大化接入FUE數(shù)和最小化占用子信道數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，在保證接入用戶傳輸速率的QoS條件下，引入分時因子和數(shù)據(jù)速率比，建立凸優(yōu)化問題；

(5)建立該凸優(yōu)化問題的拉格朗日函數(shù)，將優(yōu)化問題分解為三個子問題，采用集中式方法得到全局最優(yōu)解，即用戶獲得的最大數(shù)據(jù)傳輸速率比、以及最優(yōu)的信道、功率分配方案。

(6)SDMNs控制面將接入控制的結(jié)果和功率、信道等資源分配結(jié)果采用下發(fā)流表方式，從而完成對所接入FUE的配置。

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的分析和描述。設(shè)單個MBS的覆蓋范圍為R_B。對所有Femtocell從1開始編號，組成集合其中為集合中元素的數(shù)目，F(xiàn)emtocell可通過毫微微網(wǎng)關(guān)(Femto Gateway，F(xiàn)GW)與移動核心網(wǎng)相連，從而進(jìn)行信息交互。對所有MUE從1開始編號，組成集合其中為集合中元素的數(shù)目，設(shè)第m個MUE所需的傳輸速率為R_m。對Macrocell中所有FUE從1開始編號，組成集合其中為集合中元素的個數(shù)，設(shè)第f個FUE所需的傳輸速率為R_f。對第s個Femtocell中FUE從1開始編號，組成集合其中為集合中元素的數(shù)目。假設(shè)所有的MUE在戶外，而FUE存在于室內(nèi)。對OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交頻分多址)系統(tǒng)中可用子信道從1開始編號，組成集合其中為集合中元素的數(shù)目，Δf為子信道帶寬。假定采用共享信道部署，其中Macrocell和Femtocell可使用相同的一組子信道集合即MUE或FUE都可以接入相同的子信道中，以提高頻譜效率。

定義第s個Femtocell中第f個FUE在信道n上的信噪比為

${\mathrm{\γ}}_{s,f}^n=\frac{P_{s,f}^n{g}_{s,f}^n}{{\Σ}_{m=1}^M{\mathrm{\Γ}}_{B,m}^n{P}_{B,m}^n{g}_{B,f}^n+N_o}---\left(1\right)$

其中，為第s個Femtocell中第f個FUE在信道n上分配的功率，為Macrocell中第m個MUE在信道n上分配的功率。為信道增益，其與路徑損耗、對數(shù)正態(tài)陰影和快衰落有關(guān)，可通過FUE得到；信道增益可通過MBS估計得到。指示該Macrocell中第m個MUE是否接入子信道n，N_o為噪聲功率。式(1)中，分母中的第一項代表宏小區(qū)的跨層干擾，第二項包括來自其他Femtocell的同層干擾和噪聲功率。假設(shè)在資源分配的過程中，用戶和與其相連的基站之間的鏈路和信道增益保持不變。

相比較Macrocell而言，由于傳輸距離更短以及信道條件更好，F(xiàn)emtocell能夠為FUE提供更好的數(shù)據(jù)服務(wù)。但是，考慮到MUE所占用子信道的最大干擾電平的約束條件，在最小的期望數(shù)據(jù)速率下，每個FBS應(yīng)接納盡可能多的FUE。為了最大限度地利用信道帶寬，同時最大限度地接納FUE數(shù)，需要考慮此多目標(biāo)優(yōu)化問題。

考慮到MUE所占用子信道的最大干擾電平的約束，保證FUE最小的數(shù)據(jù)傳輸速率條件下，使得每個FBS接納盡可能多的FUE，同時減少占用帶寬數(shù)，因此該多目標(biāo)優(yōu)化問題建模如下：

其中，y_s,f為接入控制變量，如果第f個FUE接入到第s個Femtocell中時，則y_s,f＝1，否則為0。為子信道分配指示變量，當(dāng)時，表明子信道n被第s個基站(Macrocell或者Femtocell)的用戶f占用，否則為0。因此，當(dāng)y_s,f＝0時，則無需對此FUE進(jìn)行信道分配，即否則，當(dāng)y_s,f＝1時，需對的取值進(jìn)一步優(yōu)化。加權(quán)因子ε∈[0,1]，目標(biāo)函數(shù)f(Γ,Y)為FUE接入數(shù)目和所需子信道數(shù)的加權(quán)和；

變量Γ為三維數(shù)組，其包含的元素為變量Y為二維數(shù)組，其包含元素為y_s,f，變量P為三維數(shù)組，其包含的元素為其中，0≤s≤N_S,0≤f≤F_s,0≤n≤N；

約束條件C1為各用戶的數(shù)據(jù)速率約束，當(dāng)?shù)趂個FUE接入成功，即y_s,f＝1時，此約束生效；

C2為功率預(yù)算約束，第s個Femtocell的總發(fā)送功率為小于等于最大發(fā)射功率P_s,max；

C3是對FUE使用的子通道受到最大跨層干擾的約束，此約束表明MUE在訪問優(yōu)先級高于FUE，為第m個MUE在信道n上的干擾容限；信道增益可通過MUE估計獲得；

C4約束了子信道n最多分配給Femtocell中的一個FUE；

C5確保了功率為正；

C6和C7表明和y_s,f是二元變量。

為第s個FBS與第m個MUE所建立的鏈路在子信道n上的信道增益，可通過MUE估計獲得；為第s個FBS與第f個FUE所建立的鏈路在子信道n上的信道增益，可通過FUE得到；為MBS與第f個FUE所建立的鏈路在子信道n上的信道增益，可通過MBS估計得到。

上述多目標(biāo)優(yōu)化問題為混合整型非線性問題(mixed integer nonlinear problem，MINLP)，由于目標(biāo)函數(shù)為y_s,f和的組合函數(shù)，其可行集是非凸的。因此，難以獲得其最優(yōu)解，特別是當(dāng)用戶數(shù)目和信道數(shù)目較多的情況下。

為解決上述問題，引入分時因子和數(shù)據(jù)傳輸速率比φ_s，f，將上述非凸問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題，如下式：

上式中，為分時因子，表示子信道n分配給第s個Femtocell中第f個FUE的時間比例，表示子信道n分配給該Macrocell中第m個MUE的時間比例，φ_s,f表示第s個Femtocell中第f個FUE獲得數(shù)據(jù)傳輸速率比。

第s個Femtocell中第f個FUE在子信道n上的信噪比采用式(4)計算：

變量Ψ為三維數(shù)組，其包含的元素為變量Φ為二維數(shù)組，其包含的元素為φ_s,f。

通過求解式(3)中的凸優(yōu)化函數(shù)，可以獲得全局最優(yōu)解。由于SDMNs的控制面有著強大的計算和存儲能力，從而使得集中式的解決方案能夠在控制平面得以實現(xiàn)。

定義式(3)中優(yōu)化問題的拉格朗日函數(shù)為：

其中，和為拉格朗日乘子矩陣，η指示了約束條件C13中存在的跨層干擾，功率分配矩陣為

根據(jù)拉格朗日函數(shù)的定義，其最小化問題可以分解成三個子問題：FUE占用子信道上的功率分配、子信道分配問題、接入控制優(yōu)化問題。如圖2所示，通過對這三個優(yōu)化子問題求解過程的迭代和Λ和η的更新，從而更新φ_s,f、和當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)T_max時，則獲得資源分配的結(jié)果(P,Ψ)。最大迭代次數(shù)T_max可根據(jù)算法仿真結(jié)果設(shè)定。

求解優(yōu)化子問題一，即FUE占用子信道上的功率分配問題：

固定η，對功率進(jìn)行優(yōu)化使得N_S個Femtocell在N個子信道對M個MUE的干擾最小，即

求解優(yōu)化子問題二，即子信道分配問題：

當(dāng)功率分配完成后，固定Λ，實現(xiàn)信道分配使得最小化信道占用和最大化接入FUE的數(shù)據(jù)傳輸速率，即

求解第三個優(yōu)化子問題，即接入控制優(yōu)化問題：

固定Λ，最大化接入FUE的數(shù)目，即

可通過路徑跟蹤法分別求解上述凸優(yōu)化問題(6)～(8)，從而獲得每次迭代φ_s,f、和的結(jié)果。

每次迭代Λ和η采用如下次梯度和進(jìn)行更新，

其中λ_s,f(t)和分別表示第t次迭代時Λ和η中元素的值，a(t)滿足a(t)≥0，lim_t→∞a(t)＝0，

當(dāng)?shù)瓿珊?，可以獲得問題(3)全局最優(yōu)解，即最大數(shù)據(jù)傳輸速率比Φ和資源分配(P,Ψ)的結(jié)果。

SDMNs控制面將接入控制的結(jié)果和功率、信道等資源分配結(jié)果采用下發(fā)流表方式，對FUE進(jìn)行配置。